二平面机构结构分析PPT课件

1、目 录 概述 运动副及其分类 平面机构的运动简图 机构的自由度 平面机构的组成原理和结构分析第1页/共53页机构：按一定方式联接的实现预期运动的最基本的构件组合体，用来传递运动和力或者改变运动形式。机构的组成要素：构件和运动副41 41 概述从制造加工角度：机械由零件组成 零件制造单元体 从运动和功能实现角度： 构件独立运动的单元体注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的组合联接(内燃机)机构必须具有确定的运动第2页/共53页 运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。 运动副要素：指两个构件直接接触而构成运动副的部分。 运动副元素不外乎为点、线、面。两个相邻构件直接接触两个相邻构件

2、直接接触两者之间允许一定的相对运动两者之间允许一定的相对运动每个构件至少和另外一个构件通过运动副联接每个构件至少和另外一个构件通过运动副联接42 42 运动副及其分类第3页/共53页一 、运动副的自由度与约束度1. 构件的自由度：指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动数目（或确定构件位置的独立参变量的数目）。 一个自由构件在空间具有6个自由度。2. 约束：指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副引入的约束数：最多为5个。第4页/共53页1. 按运动副相对运动形式分 二、运动副类型转动副移动副螺旋副球面副第5页/共5

3、3页. 按运动副接触形式分 低副: 两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副; 高副: 凡两构件系通过点或线接触而构成的运动副统称为高副; . 按运动副的运动空间分: 平面运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副; 空间运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。第6页/共53页三、运动链运动链:指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。 闭链: : 运动链的各构件构成首尾封闭的系统。 开链: : 运动链的各构件未构成首尾封闭的系统。第7页/共53页四、机构机构:在运动链中将一构件加以固定作为机架, 另外一个或或几个构件作独立运动时，其余构件随之作确定运动。机架

4、：机构中固定不动构件。 平面机构: 机构中各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构: 机构中各构件间的相对运动为空间运动。原动件: 机构中按给定的运动规律独立运动的构件。从动件:机构其余活动构件。第8页/共53页机构的示意图：指为了表明机构结构状况, 不要求严格地按比例而绘制的简图。机构运动简图：指根据机构的运动尺寸, 按一定的比例尺定出各运动副的位置, 并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关,而与机构的形状以及运动副的具体构造无关，因此可以不计或略去那些与机构运动无关的因素。4343 平面机构

5、的运动简图第9页/共53页 实际绘制的运动简图会因为运动副绘制或表达方式的不同而会使同一机构所绘制的机构运动简图不同；或不同机构的运动简图相同。第10页/共53页机构运动简图中的常用符号：GB4460-84机架机架轴和杆状构件轴和杆状构件机架和活动构件通过转动副联接机架和活动构件通过转动副联接第11页/共53页机架和活动构件通过移动副联接机架和活动构件通过移动副联接两个活动构件联接两个活动构件联接与机架相连的摆动滑块与机架相连的摆动滑块第12页/共53页同一构件同一构件偏心轮偏心轮AB12BA21第13页/共53页小型压力机小型压力机 1. 分析整个机构的工作原理分析整个机构的工作原理机构组成

6、机构组成动作原理和运动情况动作原理和运动情况偏心轮偏心轮1 齿轮齿轮1 杆件杆件2 齿轮齿轮6 杆件杆件3 槽凸轮槽凸轮6 杆件杆件4 滑块滑块7 压头压头8原动件原动件执行构件执行构件绘制机构运动简图的步骤与方法第14页/共53页2. 沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，确定运动副的类型和数目。确定运动副的类型和数目。转动副转动副移动副移动副平面高副平面高副第15页/共53页3. 选择适当的视图平面选择适当的视图平面 选择原则选择原则1 1 清楚表达机构的主体清楚表达机构的主体部分；部分；2 2 尽可能反映机构的全尽可能反映机构的全面运

7、动；面运动；3 3 可以选择其他视图平可以选择其他视图平面作为补充。面作为补充。第16页/共53页4. 绘图绘图选择机架选择机架提取构件的运动尺寸提取构件的运动尺寸确定比例尺确定比例尺选择机构运动中的一个状态选择机构运动中的一个状态确定各运动副位置，绘图确定各运动副位置，绘图编号：编号：A、B、C 表示运动副表示运动副 1、2、3 表示构件表示构件 O1、O2表示固定转轴表示固定转轴 原动件的运动方向原动件的运动方向第17页/共53页压力机第18页/共53页 例题一：曲柄滑块机构第19页/共53页例题二：绘制图示偏心轮传动机构的运动简图 第20页/共53页找出所有构件找出所有构件找出所有运动副

8、找出所有运动副转动副：转动副：1-2 2-33-4 3-56-1 4-1机架机架1，偏心轮，偏心轮2，连杆，连杆3连架杆连架杆4，滑块，滑块5，杆件，杆件6移动副：移动副：5-6第21页/共53页第22页/共53页一、机构的自由度 机构的自由度： 是机构中各构件相对机架所具有的独立运动的数目或组成该机构的运动链的位置相对于机架或参考构件所需的独立位置参数的数目，用F表示4 44 4 平面机构的自由度第23页/共53页平面自由构件：3个自由度 平面低副：引入2个约束 平面高副：引入1个约束分析：二、机构自由度的计算 平面机构自由度的计算公式运动副的作用是约束构件自由度的，所以机构的自由度为活动构

9、件在自由状态下自由度总和减去由于运动副引入而限制的自由度假设平面机构有n个活动构件： 3n个自由度)2(HLpp 引入 约束平面机构的自由度计算公式：HLppnF 23有个 低副和 个高副： LpHp第24页/共53页自由度计算实例分析 F=3n-2 PL PH=34 - 25-0=2F=3n-2 pL pK=33 - 24-0=1四杆机构五杆机构第25页/共53页三、机构具有确定运动的条件 问题：取运动链中某个构件为机架，即构成机构，那么机构在什么条件下才具有确定运动？v自由度小于等于零刚性桁架v自由度大于零且独立运动数大于自由度无法满足v自由度大于零且独立运动数小于自由度第26页/共53页

10、 结论机构具有确定运动的条件为：机构自由度大于0且机构原动件数=机构自由度数五杆机构给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。给定两个独立运动参数：机构有确定运动。v自由度大于零且独立运动数等于自由度第27页/共53页 复合铰链 解：F=3n-2 pL pH=37 - 26-0=9解：F=3n-2 pL pH=37 - 210-0=1四 计算机构自由度应注意的事项 两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个注意：复合铰链只存在于转动副中。注意：复合铰链只存在于转动副中。第28页/共53页解：F=3n-2 pL pH=33 - 23-1=

11、2F=3n-2 pL pH - f =33 - 23-1-1=1方法二：假想构件2 2和3 3焊成一体F=3n-2 pL pH=32 - 22-1=1 局部自由度 机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动, 把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用f表示.注意：计算机构自由度时, 应将局部自由度除去不计。方法一：凸轮机构第29页/共53页 指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用, 这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束。 虚约束注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。不计引起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3

12、n-2 pL pH去除虚约束的方法：第30页/共53页F=3n-2 pL pH=33 - 24-0=1F=3n-2 pL pH=34 - 26-0=0 分析：E3和E5点的轨迹重合，引入一个虚约束正确计算： n=3 PL=4 PH=0 F=3n-(2PL+PH )=33-24=1 虚约束常出现的情况：1. 机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合, 则该联接引入1个虚约束;第31页/共53页两构件在几处接触而构成移动副且导路互相平行或重合。两个构件组成在几处构成转动副且各转动副的轴线是重合的。只有一个运动副起约束作用,其它各处均为虚约束;2. 两构件在几处接触而构成运动副n=3 PL=4 PH=0

13、 F=3n-(2PL+PH ) =33-24=1 第32页/共53页3. 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各2个约束。有一处为虚约束此两种情况没有虚约束a)图相当于转动副，图相当于转动副，b）图相当于）图相当于移动副移动副 n=2 PL=2 PH=1 F=3n-(2PL+PH )=32-22-1=1 第33页/共53页5. 某些不影响机构运动的对称部分或重复部分所带入的约束为虚约束。 4. 机构运动过程中, 某两构件上的两点之间的距离始终保持不变, 将此两点以构件相联, 则将带入1个虚约束。n=3 pL=4 pH=0

14、F=3n-(2pL+pH )=33-24=1 连接构件连接构件2和和4上的上的E点和点和F点的构件点的构件5及转动副及转动副E和和F即属此种情况，引入一个虚约束。即属此种情况，引入一个虚约束。3和和1绕同一个轴转动，计算机构自由度时，绕同一个轴转动，计算机构自由度时，只考虑对称或重复部分中的一处，去掉只考虑对称或重复部分中的一处，去掉2和和2构件构件 n=3 pL=3 pH=2 F=3n-(2pL+pH )=33-23-2=1 第34页/共53页小结存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有m个构件则有(m-1)个转动副 复合铰链局部自由度常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚

15、子处。正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。 虚约束存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。第35页/共53页典型例题：计 算 图 示 机 构 的 自 由 度， 如 有 复 合 铰 链、 局 部 自 由 度 和 虚 约 束，需 明 确 指 出。 画 箭 头 的 构 件 为 原 动 件。复合铰链局部自由度1 1个虚约束复合铰链计算机构自由度典型例题分析F=3n-(2pL+pH )=38-211-1=1第36页/共53页典型例题：计算机构自由度典型例题分析 F=3n-(2pL+pH ) =38-210-12-1=1第37页/共53页典型例题计算机构

16、自由度典型例题分析计算图示机构自由度。计算图示机构自由度。并判断机构是否具有确定运动。并判断机构是否具有确定运动。 F=3n-2 pL pH=37- 29-1=2第38页/共53页 为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。 高副低代的含义 根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代替的方法。 高副低代的条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。一、平面机构的高副低代45 45 平面机构的组成原理和结构分析第39页/共53页 结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处

17、的曲率中心。高副两元素均为圆弧高副元素为非圆曲线第40页/共53页高副两元素之一为直线高副两元素之一为一点因其曲率半径为零，其中一个转动副就在该点处。因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移副；第41页/共53页二、机构的组成原理机构具有确定运动的条件： 自由度数=原动件数基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。1. 杆组机架和原动件与从动件组分开，运动副仍保留在杆组： 从动构件组自由度为零。可以再拆成更简单的自由度为零的杆组第42页/共53页Lpn32 对于全低副的杆组：n个构件、PL个低副 基本杆组的分类 根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：（1）n

18、=2, pL=3的双杆组：又叫级杆组 常见级杆组的形式为Lpn230 第43页/共53页（2）n=4, pL=6的多杆组，又叫 级杆组 特征为杆组中具有一个三副构件。常见的三种形式为Lpn32 （3）更高级别的杆组第44页/共53页 机构组成原理：指任何机构都可以看做是由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上而构成的。2. 机构的组成原理 机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。因为机构的级别越高，机构的运动和动力分析也越困难.自由度为F的机构=F 个主动杆+1个自由度为0的机架+若干个自由度为0的基本杆组第45页/共53页三、平面机构的结构分析 级机构 只由机架和原动件组成的机构称为级的机构。II级机构 指机构中基本杆组的最高级